一種低成本第三代鎳基單晶高溫合金的製作方法
2023-06-12 00:02:36
專利名稱：一種低成本第三代鎳基單晶高溫合金的製作方法
技術領域：
本發明屬於鎳基單晶高溫合金領域，具體為一種低成本第三代鎳基單晶高溫合金，主要適用於在高溫下承受高應力的零部件，如航空發動機的渦輪葉片。
背景技術：
在單晶高溫合金髮展的過程中，由於對使用溫度的要求越來越高，合金中W、Mo、Ta、Re等難熔元素含量逐漸增加，特別是Re元素在合金中起重要的強化作用，加入3wt.％的Re能使合金的使用溫度提高大約30℃。典型的第一代單晶高溫合金CMSX-2、第二代單晶高溫合金CMSX-4和第三代單晶高溫合金CMSX-10中的難熔元素總含量分別為14.6wt.％、16.1wt.％和19.4wt.％，而Re含量分別為0％、3％和6％。第三代單晶高溫合金是目前已經使用的高溫性能最高的高溫合金。但Re元素的大量加入，在提高性能的同時也帶來了如下缺點成本高、密度大、易析出TCP相等。Re在地殼中的豐度非常低，＜0.001g/t，我國的儲量更為稀少，因此在獲得高的高溫性能的前提下，減少合金中Re的用量十分重要。
發明內容
本發明的目的在於提供一種低成本第三代單晶高溫合金，在獲得與第三代單晶高溫合金CMSX-10相當的持久性能的同時，減少Re的加入量約1/3，顯著降低合金成本。
本發明的技術方案是根據本發明的目的，同時考慮到各合金元素的作用，將Re的含量降至3～5wt.％，同時適當提高W和Ta的含量。其具體的化學成分(wt.％)如下Cr2～4％，Co11～13％，W5～7％，Mo0.5～2％，Re3～5％，Al5～7％，Ta6～10％，Hf0.05～0.2％，其餘為Ni。
本發明合金(合金牌號取名為DD90)的化學成分設計主要基於如下理由
Re是鎳基高溫合金中的重要強化元素，它降低體擴散係數，減緩由擴散控制的過程，因而降低了γ′強化相的長大速度，也減慢了控制蠕變機制的擴散速度。Re偏聚於γ基體中，形成原子團簇，阻礙位錯運動，能獲得比傳統的固溶效應更明顯的強化效果，在高性能單晶高溫合金中加入一定量的Re是必要的，可以顯著提高合金的高溫性能，但考慮到Re資源匱乏，價格昂貴，將Re的加入量控制在4wt.％左右。
W是鎳基高溫合金中的強固溶強化元素，同時也大量固溶於γ′強化相。在Re含量相對較低的情況下，要充分發揮W的強化作用。但W和Re加入過量會導致γ相過飽和，使顯微組織不穩定，易形成σ相、μ相、P相等TCP脆性相，降低合金性能。W和Re過量加入還會影響合金的鑄造性能，在單晶生長中出現「雀斑」(鏈狀等軸晶粒)等缺陷。因此控制W的含量在5～7wt.％。
Mo是固溶強化元素，並能增加γ/γ′的錯配度，使錯配位錯網密集，能有效地阻礙位錯運動，提高合金性能；但Mo對合金的熱腐蝕性能有不利影響，不宜添加過多，因此控制Mo的含量在1～2wt.％。
Al是在鎳基高溫合金中形γ′強化相Ni3Al的基本元素，它的含量對合金高溫性能起著重要作用，同時Al含量對合金的抗氧化性能也至關重要，因此合金中必須加入一定量的Al，但過量的Al會降低合金的組織穩定性，導致有害相析出，因此將合金中的Al含量控制在5～7wt.％。
Ta通過固溶強化和提高γ′相強度來提高合金的高溫強度，同時能有效地促進合金的抗氧化、抗熱腐蝕性能和鋁塗層的持久性，並且不引起TCP相的形成，因此在合金中加入6～10wt.％的Ta。
Cr是提高合金抗熱腐蝕性能的關鍵元素，在合金中必須添加適量的Cr，但由於高強度合金中添加Re、W、Mo等難熔金屬元素多，加入大量的Cr會使合金的組織穩定性降低，因此將Cr的含量控制在2～4wt％，以獲得良好的綜合性能。
Co能穩定鎳基高溫合金的基體，在合金中加入11～13wt.％的Co，提高了合金的組織穩定性，並且能夠在相對較低的固溶處理溫度下獲得均勻的組織，使其他合金元素充分發揮強化作用。
為改善合金的鑄造性能，在合金中還加入了少量的Hf。
本發明採用真空感應爐熔煉，先澆鑄成化學成分符合要求的母合金，然後再生長成單晶零部件，使用前須經過如下工藝制度進行熱處理
(1)溫度1295-1300℃，時間8-16h，空冷至室溫；(2)溫度1303-1305℃，時間12-16h，空冷至室溫；(3)溫度1308-1310℃，時間8-16h，空冷至室溫；(4)溫度1312-1317℃，時間20-28h，空冷至室溫；(5)溫度1150-1180℃，時間4-6h，空冷至室溫；(6)溫度850-870℃，時間20-24h，空冷至室溫。
本發明的優點及有益效果是(1)與現有其他鎳基單晶高溫合金相比，本發明合金具有很高的中、高溫強度、優異的耐熱腐蝕性能，可在高溫高應力環境下使用。
(2)本發明合金在700℃時瞬時拉伸性能σb＞1000MPa，δ5≥15％；持久性能982℃/248MPa下持久壽命＞470h；1038℃/172MPa下持久壽命＞280h；1100℃/150MPa下持久壽命＞90h。
(3)本發明合金具有優異的持久性能，持久性能與第三代單晶高溫合金CMSX-10相當。與第三代單晶高溫合金CMSX-10相比，本發明合金中貴重元素Re含量較低，因而成本相對較低。
具體實施例方式
下面通過實施例對本發明做進一步詳細說明。
本發明採用真空感應爐熔煉，先澆鑄成化學成分符合要求的母合金，然後再生長成單晶零部件，使用前須經過如下工藝制度進行熱處理1300℃/8h，A.C.(空冷至室溫)+1305℃/15h，A.C.(空冷至室溫)+1310℃/8h，A.C.(空冷至室溫)+1315℃/24h，A.C.(空冷至室溫)+1180℃/4h，A.C.(空冷至室溫)+870℃/24h，A.C.(空冷至室溫)。
根據化學成分範圍，製備了本發明合金的單晶試樣，具體化學成分見表1，為了對比方便，表1中也列出了CMSX-10系列中CMSX-12C的化學成分。單晶試樣經過熱處理和機加工後分別進行持久性能、瞬時力學性能和抗熔鹽熱腐蝕性能實驗，所得結果分別列入表2、表4、表5。為了對比，將本發明合金和CMSX-10系列中含6wt.％Re的CMSX-12C的982℃/248MPa持久性能數據列於表3。
表1本發明實施例與對比合金CMSX-12C的化學成分(wt％)
表2本發明實施例1的持久性能
表3本發明實施例1與對比合金CMSX-12C的982℃/248MPa持久性能
表4本發明合金實施例1的拉伸性能
表5本發明合金實施例1的抗熱腐蝕性能(熔鹽重量成分75％Na2SO4+25％K2SO4)
權利要求
1.一種低成本第三代單晶高溫合金，其特徵在於，按重量百分比計，其化學成分為Cr 2～4％，Co 11～13％，W 5～7％，Mo 0.5～2％，Re 3～5％，Al 5～7％，Ta 6～10％，Hf0.05～0.2％，其餘為Ni。
2.按照權利要求1所述的低成本第三代單晶高溫合金，其特徵在於，按重量百分比計，其較佳的化學成分為Cr 3％，Co 12％，W 6％，Mo 1％，Re 4％，Al6％，Ta 8％，Hf0.1％，其餘為Ni。
3.按照權利要求1所述的低成本第三代單晶高溫合金，其特徵在於合金的熱處理工藝具體步驟如下(1)溫度1295-1300℃，時間8-16h，空冷至室溫；(2)溫度1303-1305℃，時間12-16h，空冷至室溫；(3)溫度1308-1310℃，時間8-16h，空冷至室溫；(4)溫度1312-1317℃，時間20-28h，空冷至室溫；(5)溫度1150-1180℃，時間4-6h，空冷至室溫；(6)溫度850-870℃，時間20-24h，空冷至室溫。
全文摘要
本發明屬於鎳基單晶高溫合金領域，具體為一種低成本第三代鎳基單晶高溫合金，主要適用於在高溫下承受高應力的零部件，如航空發動機的渦輪葉片。合金化學成分(wt.％)為Cr2～4％，Co11～13％，W5～7％，Mo0.5～2％，Re3～5％，Al5～7％，Ta6～10％，Hf0.05～0.2％，其餘為Ni。本發明採用真空感應爐熔煉，先澆鑄成化學成分符合要求的母合金，然後再生長成單晶零部件，使用前須經過如下工藝制度進行熱處理1300℃/8h，A.C.+1305℃/15h，A.C.+1310℃/8h，A.C.+1315℃/24h，A.C.+1180℃/4h，A.C.+870℃/24h，A.C.。本發明合金具有優異的持久性能及良好的抗熱腐蝕性能，持久性能與第三代單晶高溫合金CMSX－10相當，而含Re較少，成本較低。
文檔編號C22F1/10GK1966750SQ20051004775
公開日2007年5月23日 申請日期2005年11月18日 優先權日2005年11月18日
發明者金濤, 王文珍, 趙乃仁, 王志輝, 劉金來, 侯桂臣, 孫曉峰, 管恆榮, 胡壯麒 申請人:中國科學院金屬研究所